鋼筋混凝土結構劣化原理及研究方法綜述
摘要：鋼筋混凝土結構結合了鋼筋與混凝土各自的優點，造價較低，因此成為世界上應用最為廣泛的結構形式，但即使設計合理，質量合格鋼筋混凝土結構也會隨時間的變化，在自然環境或人為環境下遭到破壞。而且結構耐久性破壞嚴重而普遍，所以對結構劣化的機理模型的**迫在眉睫。
本文總結了鋼筋混凝土結構劣化因素，破壞機理，及現有的研究方法，並分析現有方法的優劣，對劣化模型的進一步建立提出建議與展望。
關鍵詞：混凝土；鋼筋；劣化；耐久性
reinforced concrete structure degradation principle and research method were reviewed
abstract：reinforced concrete structure is a combination of their own advantages, reinforcement and concrete with low cost, thus became the world's most widely used structure form, but even if the design is reasonable, quality qualified will change with time, the reinforced concrete structures in the natural environment or man-made damage to environment. and serious and widespread damage structure durability, so the structure model to explore the mechanism of degradation is imminent.
deterioration of reinforced concrete structures are reviewed in this factors and failure mechanism, and the existing research methods, and analysis of the advantages and disadvantages of existing methods, to build further put forward the proposal and prospect of degradation model.
key words: concrete；rebar；degradation；durability
0 引言：
混凝土是用水泥、水和骨料(細骨料如砂，粗骨料如卵石、碎石)等原材料經攪拌後人模澆築，並經養護硬化後做成的人工石材。混凝土結構是指以混凝土為主製作的結構，包括素混凝土結構、鋼筋混凝土結構和預應力混凝土結構等，其耐久性是指其抵抗環境中各種因素(如大氣影響、化學腐蝕和其他劣化過程而保持正常使用功效的能力[1]。隨著現代混凝土技術與我國經濟的快速持續的發展，混凝土被廣泛應用於港口、大壩、公路、橋梁、市政等現代化工程建設中.
然而,鋼筋混凝土結構由於受到各種環境條件，如大氣、水等物理或化學的侵蝕作用，即使結構設計合理、施工正確，其在服役期間也往往發生劣化、未達到預期壽命而破壞。據報道,美國需要大量的資金來修復被腐蝕破壞的鋼筋混凝土結構。在英國，需要重修或大修的鋼筋混凝土結構佔36%。
在我國，鋼筋混凝土結構的侵蝕破壞也十分嚴重,且隨著我國的基本建設的全面開展。後期的鋼筋混凝土結構的維護、修補等問題將會日益突出。因此，對混凝土結構採取有效表面防護技術以防止混凝土的環境侵蝕、維護混凝土的效能，對保證並提高混凝土結構的耐久性與使用壽命具有重要的現實意義。
這不僅是保證建築物在使用壽命期間的安全性，而且大大減少對自然資源和能源的消耗，也符合混凝土工業的可持續發展戰略[2]。
1 鋼筋混凝土結構劣化的機理
1.1鋼筋鏽蝕
混凝土中鋼筋鏽蝕是十分普遍的現象，尤其是在沿海地區、工業汙染地區鋼筋鏽蝕問題更為突出。如今鋼筋鏽蝕已被公認為混凝土結構耐久性劣化最主要的原因，不少國家為此遭受了巨大的經濟損失[3]。在正常情況下，混凝土中的鋼筋不會鏽蝕，這是由於鋼筋表面的混凝土孔溶液呈高度鹼性(矽酸鹽水泥的水化產物ca(oh)2：
ph值大於13)，可維持鋼筋表面形成緻密的氧化膜，對鋼筋有很強的保護能力，這正是混凝土中鋼筋，正常情況下不受腐蝕的主要原因[4]。
導致鋼筋鏽蝕的原因主要有：混凝土保護層碳化和氯離子侵入並在鋼筋表面達到一定濃度。鋼筋腐蝕程度通常採用腐蝕率表示，即鏽蝕鋼筋截面損失率或鋼筋直徑損失率。
通常，當鋼筋截面損失率大於0. 5%時，會產生縱向裂縫；當鏽蝕率達到5% ~ 10%時，由於腐蝕不均勻，鋼筋力學效能均有一定降低；當其截面損失大於10%時，會導致混凝土保護層剝落，鋼筋應力- 應變關係變化很大，沒有明顯屈服點，屈服強度與極限抗拉強度非常接近，且都有降低，延伸率明顯下降。鋼筋鏽蝕造成鋼筋截面積減小，極限延伸率降低，構件有效高度降低，鏽蝕產物膨脹使混凝土保護層產生縱筋裂縫，結構粘結性能和承載力下降。
研究表明，構件正截面抗彎承載力與鋼筋腐蝕率基本呈線性關係，且承載力下降的速度大於腐蝕率增加的速度。可見，腐蝕狀態下受彎構件承載力除受腐蝕率影響外，還受鋼筋表面坑蝕造成的應力集中，鋼筋延伸率、屈服強度和抗拉強度的降低、屈服台階變短以及由於混凝土保護層開裂導致構件截面有效高度的減少等因素的影響。以上事實說明，當鋼筋腐蝕率較低時，構件承載力下降的幅度並不大，而混凝土和鋼筋的區域性粘結性能有明顯下降，構件的適用性往往先於承載力安全性而達不到要求[5]。
混凝土在多種因素作用下(如碳化、氯離子侵蝕等) ，鋼筋因原先在鹼性介質中生成的鈍化膜被破壞而漸漸失去保護作用,導致鋼筋鏽蝕,生成的鐵鏽體積比被腐蝕掉的金屬體積大3～4 倍，使混凝土保護層沿鋼筋縱向開裂，而裂縫一旦產生，鋼筋鏽蝕速度加快,結構構件的承載力與可靠性劣化的速度大大加快,有的甚至發展到鋼筋銹斷，危及結構的安全[6]。上述研究著重在縱筋鏽蝕上，事實上，箍筋首先鏽蝕，尤其在縱筋與箍筋的相交處，箍筋鏽蝕更為嚴重。當縱筋截面損失率為5% ~ 10% 時，箍筋多已鏽斷。
箍筋鏽蝕不僅直接影響構件的抗剪承載力，且對受壓構件承載力有間接影響[5]。鏽蝕引起的粘結性能退化改變了梁的破壞機理，在一定條件下將導致受拉鋼筋強度不能充分發揮作用。隨著鋼筋鏽蝕程度的增加，粘結性能退化，梁的彎曲破壞從適筋破壞轉化為少筋破壞，鏽蝕嚴重的梁還有可能發生粘結錨固破壞[7]。
1.2混凝土腐蝕與損傷
混凝土劣化一般由鹽害、中性化介質、酸雨、凍害、鹼性碎石反應和混凝土剝離等外界因素引起。根據以往研究資料，隨著時間的推移，降水、水蒸氣或含鈣離子少的介質會侵蝕混凝土。當混凝土發生鈣離子流失後，會使混凝土的孔隙率增加和內聚力降低，從而導致其強度下降。
研究表明，受劣化影響的混凝土板的強度和彈性模量都具有時間效應，混凝土板的強度和彈性模量隨板內的位置不同由內到外呈下降趨勢[8]。混凝土的凍融破壞一般發生在寒冷地區經常與水接觸的構築物，如路面、橋面板、冷卻塔、水工和海工結構物以及建築物的勒腳和陽台等。為保證冬季交通的暢通，在橋面和路面使用除冰鹽時，混凝土路橋的破壞將更為嚴重，其主要原因是除冰鹽不僅加重了凍融破壞，而且還會促使氯鹽內滲。
鹽凍對混凝土的破壞程度和速率比普通凍融破壞大好多，甚至10倍，在不採取防治措施的情況下，混凝土一般1～2個冬季就會出現嚴重的剝蝕破壞，10—20年鋼筋就會嚴重鏽蝕。
在北美、北歐以及我同北方地區，由於使用除冰鹽而引起的混凝土結構劣化已成為人們日益關注的重要問題，其造成的經濟損失相當巨大，不容忽視[9]。混凝土受凍融迴圈作用破壞的根本原因是水結冰時產生約9％的體積膨脹。混凝土的飽水度愈高，結冰速度愈快，混凝土的靜水壓力和破壞力就會愈大。
凍和融反覆進行，則會使混凝土承受疲勞作用而不斷加重破壞[4]。powers和helmuth提出的滲透壓理論[10]以及加拿大學者litvan和德國學者setzer[11]提出的凍融破機理都是從分析混凝土中溶液固、液、氣三相共存平衡關係，提出相應的假說。瑞典學者fagerlund提出臨界飽水度理論和cady的雙機制理論引對凍融破壞機理做了很好的補充。
除此之外還有酸**蝕，其中①碳酸侵蝕混凝土化學方程式為：
co2+h2o h2co3
ca(oh)2+co2 caco3+h2o
cac03+h2co3 ca(hc03)2
所生成的碳酸氫鈣被水帶走，使水泥石中的石灰濃度降低，引起溶出**蝕。②硫酸(鹽酸、硝酸等無機酸和醋酸、乳酸等有機酸)侵蝕酸首先與ca(oh) 2起反應，然後與水化矽酸鈣和水化鋁酸鈣起反應生成鈣鹽。③硫化氫侵蝕與碳酸侵蝕相類似，硫化氫氣體溶於水生成硫氫酸，硫氫酸既能與ca(oh)2又能與caco3反應，產生的硫化鈣，僅是侵蝕反應的中間產物，最終仍被硫氫酸溶解成為易溶的硫氫酸鈣而流失。
還有溶出**蝕溶出**蝕對混凝土的損害表現在兩個方面：一是隨著ca(oh)2的溶出，混凝土鹼性降低，如果混凝土的孔隙水溶液的ph值小於11．5，鋼筋就可能脫鈍，造成鋼筋鏽蝕；二是隨著ca(oh)2的溶出，混凝土的抗滲性下降，為有害介質的侵入提供了條件。同時還有鹽類腐蝕，如①鎂鹽侵蝕地下水中常含有硫酸鎂、氯化鎂為主的鎂鹽，海水中含有大量的鎂鹽。
ca(oh)2與硫酸鎂或氯化鎂之間的化學反應方程式為：
ca(oh)2+mgso4 caso4+mg(oh)2
ca(oh)2+mgcl2 cacl2+mg(oh)2
在氯化鎂濃度低時，溶液反應容量很小，與ca(oh)2作用只在混凝土表面進行。由於生成的氫氧化鎂在混凝土表面形成沉澱和氯化鈣易溶於水，使混凝土的抗滲性降低。②硫酸鹽腐蝕，硫酸鹽與水泥中的c3a的水化反應生成物水化鋁酸鈣發生化學反應生成鈣釩石(3cao·al203·3caso4·31h2o)，由於鈣釩石晶體體積增大，產生巨大膨脹應力，導致混凝土開裂破壞。
③氯鹽的侵蝕氯鹽不僅能破壞鋼筋表面的鈍化膜而引起鋼筋鏽蝕，而且能和混凝土中的ca(oh)2發生離子置換反應，破壞混凝土結構，反應生成的氯化鈣和氫氧化鈉都易溶於水，一定程度上降低混凝土的抗滲性。氯化鎂與氫氧化鈣反應除生成易溶於水的氯化鈣外，還生成難溶於水的氫氧化鎂，破壞混凝土材料的微結構。還有鹽凍的破壞作用當混凝土浸水時，主要靠毛細孔張力吸水；當混凝土中含有鹽溶液時，除毛細孔張力外，還存在鹽濃度差產生的滲透壓，因此在毛細張力和滲透壓共同作用下，吸水率和吸水速率都大大增加，使混凝土內部的飽水度也明顯提高。
此外，孔中鹽溶液在乾濕和冷熱迴圈作用下，鹽會過度飽和而結晶，產生鹽結晶壓，除靜水壓外，還存在鹽溶液的滲透壓和結晶壓，因此鹽凍產生的破壞加劇[4]。
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